한국컴퓨터정보학회 하계학술대회 논문집 제25권 제2호 (2017. 7)
113
셀룰라시스템에서 D2D 전력제어:
비협력적 게임이론적 접근
오창윤
ㅇㅇ
인하공업전문대학 정보통신과 e-mail: [email protected]
ㅇD2D Power Control in the Cellular System: Non Cooperative Game Theoretic Approach
Changyoon Oh
ㅇㅇ
Dept. of Information and Communications, Inha Technical College
●
요 약
●본 논문에서는 셀룰라시스템의 상향링크 자원을 사용하는 D2D 단말의 전송전력 최적화문제를 게임이론적 방법으로 고찰해본 다. 먼저, 전송전력 최적화문제를 비협력적 전송전력게임으로 구성하고, 구성된 전송전력게임이 나쉬 평형을 가지게 됨을 확인한 다. 본 논문에서 도출된 나쉬 평형에서는 개별 D2D 단말은 오로지 자신의 전송전력을 최적화하도록 전송전력값을 선택한다. 하 지만, 시스템 입장에서는 결국 모든 단말의 전송전력값은 나쉬평형이라고 하는 전송전력의 유일한 수렴점에 도달하게 된다. 컴 퓨터실험을 통하여 다수 개의 D2D 사용자 환경에서 나쉬평형이 존재함을 확인한다.
키워드: 단말간 직접통신(D2D communication), 게임이론(game theory), 전력제어(power control)
I. Introduction
단말 간 직접통신 (D2D 통신)을 셀룰라시스템에 적용하고자 하는 관련 연구가 활발하게 진행중이다 [1-3]. D2D 통신의 대표적인 장점은 단말이 직접 목적지 단말에 데이터를 전송함에 따라, 기지국을 통해서 목적지 단말에 데이터를 전송함에 발생하는 두 번의 링크자원 소모를 절약할 수 있다는 점이다. 본 연구에서는 D2D 통신이 셀룰라 통신이 사용하는 상향링크(Uplink) 자원을 재사용(reuse) 하는 환경에서, 게임 이론적 관점에서 단말들의 전송전력을 최적화하기 위한 전력제어 기법을 제안하도록 한다.
II. Preliminaries
1. Related works
1.1 국내 동향
D2D 통신이 셀룰라 시스템의 상향링크 주파수 자원을 재사용하여 전력제어를 하는 연구가 많이 진행되고 있다 [1-2]. 셀룰라 시스템에서 전송전력 최적화 문제를 게임이론적으로 접근하여 많은 연구가 진행되 어져 왔다. 본논문에서는 셀룰라 시스템의 상향링크 주파수 자원을 공유하는 셀룰라 단말과 D2D 단말들의 전송전력을 최적화하고자,
게임 이론적으로 접근하고자 한다.
Fig. 1. System Model
III. The Proposed Scheme
비협력적 전송전력게임에서는 각각의 단말은 오로지 자기 자신의 payoff function 만을 최적화하도록 전송 전력값을 결정한다. 먼저
한국컴퓨터정보학회 하계학술대회 논문집 제25권 제2호 (2017. 7)
114
비협력적 전송전력 게임(Non Cooperative Power Game)을 정의하 기로 한다.
(1)여기서, ,
,은 각각 게임에 참여하는 Player set, strategy set, payoff function 이다. 즉,
, max, 이다.비렵력적 전력 게임 (NPG)을 수식화 하면 다음과 같다.
max for all ∈
(2)수식 (2)에서 각각의 단말 는 자신의 payoff function 이 최대가 되도록 전송전력 를 선택하게 된다. Nash Equilibrium 에서는 다른 단말들의 전송전력값들이 변하지 않는 한, 단말 는 자신의 전송전력인 를 변경하여 payoff function을 증가시킬 수 없다.
Definition 1 [4] 모든 단말 에 대하여 ≥ 일 경우, 으로 구성된 전송전력벡터
는 NPG 인
수식 (1)의 Nash Equilibrium 이다.1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
SIR
Iteration
Cellular User D2D USER 1 D2D USER 2 D2D USER 3
Fig. 2. Nash Equilibrium
Proposition 1. 수식 (6)에서의 NPG 은 유일한(unique) 나쉬평형 (Nash Equilibrium)이 존재한다.
IV. Conclusions
본 연구에서는 D2D 통신이 셀룰라 통신이 사용하는 상향링크 (Uplink) 자원을 재사용(reuse) 하는 환경에서, 비협력적 전송전력 게임을 통하여 D2D 단말들의 전송전력을 최적화하였다.
D2D 단말간의 상호 협력없이 모든 D2D 단말들의 전송전력이 유일한 수렴점에 도달하는 Nash Equilibrium 이 존재함을 수식적으로 표현하였으며, 실험 예제를 통하여 확인하였다.
REFERENCES
[1] N. Lee, X. Lin, J. Andrews, and R.W. Heath, “Power Control for D2D Underlaid Celllular Networks:
Modeling, Algorithms and Analysis,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 33, no.1, pp 1-13, Jan. 2015.
[2] J. Gu, S. Bae, B. Choi, ad M. Chung, “Ubiquitous and Future Networks (ICUFN), 2011 Third International Conference on,“ pp 71-75, June 2011
[3] G. Fodor, E. Dahlman, G. Mildh, S. Parkvall, N. Reider, G. Mikand Z. Turnyi, “Design aspects of network assisted device-to-device communications,” IEEE Communications Magazine, vol. 50, no. 3, pp. 170–177, March 2012.
[4] C.U. Saraydar, N.B. Mandayam, D.J. Goodman "Efficient power control via pricing in wireless data networks,"
IEEE Transactions on Communications, Vol. 50 Issue 2, pp.291 - 303, August 2002.
